复杂湍流流动的混合RANS_LES方法研究_孙明波

第 41 卷
第 1期
航空计算技术 A eronautica l Co m puting T echn ique
Vo . l 41 N o . 1 Jan . 2NS /LES方法研究
孙明波, 汪洪波, 梁剑寒, 刘卫东, 王振国
( 国防科技大学 航天与材料工程学院, 湖南 长沙 410073)
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提出 了用 于 LES 壁面 处 理 的两 层 模 型 TLM
, 远远高于附
面层外流动计算规模 R e ) , 这对于工程仍然是过 高 的计算代价。因此, 对于近壁区湍流的 LES 先后提出 了多种处理方法。 较早 D eardorff 、 Schum ann 在 LES 计算中基于
收稿日期 : 2010O 09O 25 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 90505009)
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( Tw oOLayer M odel)。 TLM 在主流中求解过滤后的大 涡模拟方程, 在附面层内求解了一组简化的附面层方 程。 TLM 基本的假设是近壁面和主流 之间的相互影 响可忽略不计 , 这样可在近壁面粗糙网格内插入细网 格并在上面求解附面层方程 , 然后在这两套网格之间
摘 要 : 混合 RANS /LES 方法是近 年来 复杂湍 流模 拟的 重要 方法 。 简 要回 顾了 混合 RAN S /LES
模拟方法的 发展历程 , 着重总结和分析了 分离涡混合模型 、 类 M enter SST 混合 模型以及湍流能 量 谱一致混合 方法三类混合模型的构造方法和发展历程 , 对这三种 方法的应用以及优缺点进行了简 要评述 , 最后指出了混合 RAN S /LES 方法发展应该兼顾 的问题 , 为 下一步的混合 RAN S /LES 模 拟 提供了参考 。 关键词 : 湍流流动 ; 混 合 RAN S /LES 方法 ; 混合函数 ; 分离涡模拟 中图分类号 : V 435. 12 文献标识码 : A 文章编号 : 1671O 654X ( 2011) 01O 0024O06
0 . 4 1. 8 [ 1]
附面层速度分布规律提 出壁面函数对 近壁区进行处 理, P iom elli等
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还进一步考虑了附面层内拟序结构发
展对壁面切应力的影响。但是这一类的壁面函数大都 是通过附面层对数律来求解壁面应力的, 而附面层的 对数律对于分离流并不适用 , 因此这类模型很难应用 到复杂湍 流流 动中去。上世纪 90 年代 中期 Ba laras 等
建立的限制器为 :
2 2
d = m in (CD ES m ax ( n CDES v /d, v ), d ) 此处 n = 3 。但因为对于复杂壁面流的边界层厚度不能 预估, 特别是流动分离问题, 该方法的鲁棒性能不高。 鉴于 M enter等
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采用混合函数 F 2, F 1 能够较合
2 2
( 1)
1 DES 及其改进方法
1997 年 Spa lart建立了分离涡 DES( Detached Eddy Si m ulat io n) 模拟方法 (目前被称为 DES97) , 根据大 涡和小 涡的不同特性, 将 LES 和基于 一方程 SpalartO A llm aras( SOA ) 模型的 RANS 处理结合起来, 在以耗散 为主要特征的流动区域采用 RANS , 在大涡输运为 主 要特征的区域采用 LES , 两者通过比较当地网格尺度 与 RANS 计算得到的湍流混合长进行自动切换 , 即用 长度尺度 d 替代了 S OA 模型中的距壁面距离 d, d 跟 网格间距 v 有联系, 定义为 :
作者简介 : 孙明波 ( 1980 - ) , 男, 河南温县人 , 讲师 , 博士 , 研究方向为计算流体力学、 高超声速推进技术。
2011 年 1 月
孙 明波 等 : 复杂湍流流动的混合 RAN S /LES 方法研究
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交换流动参数。 TLM 的缺点在于要 运用两套网格 和 程序结构, 而且对复杂湍流表现同样不佳。在同一套网 格体 系上 将 RANS 和 LES 结 合, 近 壁区 利用 成熟 的 RANS 模型而主流区利用 LES , 保证计算精度的同时可 以有效节约计算耗费 , 这是上世纪 90 年代中期以来湍 流 LES 计算发展趋势。 类似于混合 RANS /LES 的思想最早是由 Speziale 于 1992 年提出来的 。 Spezia le 指出, 在网格尺度小 到与 Ko l m ogo rov 尺度相比拟时 , 湍流模型计算需要减 小雷诺应力 , 因为此时计算已经接近 DNS ( D irect Nu m erical S i m ulaton) 。也就是有: n RANS Sij = [ 1- exp ( - Bv / lG ) ] Sij 式中, v 、lG 分别 代 表网 格尺 度和 Ko l m ogorov 尺度。 Battern 等
Evaluation of H ybrid RAN S /LES M ethodologies for C omp lex Turbu lent F low Sim u lations
SUN M ing Obo, WANG H ongObo , LI ANG JianO han , LI U W e iOdong, WANG ZhenOguo ( College of A erospace and M aterial Engineering, N ational University of D ef ense T echnology, Changsha 410073 , China ) Abstract : H ybrid RANS /LES strategy is an i m portant m ethod for com plex turbulent flow si m u lations in recent years . A rev iew of the hybrid RANS /LES m ethodology developed h istory is presented briefly in this paper , and then three types of hybrid RANS /LES m ethodo log ies, w hich are DES ( Detached Eddy S i m u la t io n), M enterOSST si m ilar hybrid m ode l and tu rbu lentOspectru m consistent hybrid m odel respect iv ely, are summ arized . The dist inguished features and the li m itations of these three types o f hybrid m ode ls are ana ly zed conc ise ly. F ina lly the issues that need serio us consid eratio n fo r hybrid m odel develop ing are presen ted . Th is paper prov ides references for develop m ent and applica tio n o f hybr id m odels to com p lex tu rbu le nt flow s . K ey w ord s : turbulent flow; hybr id RANS /LES ; blend ing fu nct ion; detached eddy si m ulation( DES)
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理的实现从壁面边界层向主流的切换, Spalart等
利
用相似的思想 , 采用 / 保留的 RANS 模式 0, 或者是 / 延 迟 LES 函数 0, 发展了 称为 DDES ( De layed DES) 的方 法。一方程模型 SOA 不包含类似于 k X /y ( M en ter k XSST )的尺度信息 , 但是包含有参数 r, 这个也近似为 模型湍流混 合长度与壁面距离的比 值。对于 DDES, 为了与 S OA 定义相适应且在无旋区域内更鲁棒一些 , 参数 r 做如下的修改 : rd = vt + v Ui, j Ui, j * d
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曾经认为对于壁面网格的细致调整和加
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在此基础上引入了 LNS( L i m ited Num erica l m in( ( l @ V )
SGS
Scales), 认为 : Sij = Sij
RAN S
密可以避免 M SD 问题。但 M enter和 Kuntz Forsythe等
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d = m in ( d, CDES v ), v = m ax ( v x, v y, v z) 显然当 d n v 时 , 模 型便是 S OA 湍流模型, 当 d m v 时, 则自动转换成了 LES 模型。这一处理方式被称为 DES97限制器。 但是 , 当网格的布置不当时, 譬如当壁面附近网格 单元各方向尺度基本相同而且足够小时, DES97 的限 制器会误判将该单元用 LES 处理 , 此时壁面附面层内 的速度脉动信息不能很好求解 , DES97 的处理将降低 涡粘性, 并导致模型 Reyno ld s应力的不匹配 , 这种情况 被称 之 为 M SD ( M odeled Stress Dep le tio n )。 M SD 是 DES97 的限制器在复杂网格上处理 RANS 与 LES 转换 过于生硬造成的。 Spalart
引言
对于湍流流动, 通常认为 LES( L arge Eddy S i m ula t io n : 大涡模拟 )可以取得比 RANS( R eynoldsOAveraged N av ier Stokes) 模型更加准确的结果。但是对于诸 如 高雷诺数流动、 壁面湍流流动等问题, LES 因为其巨大 的计算耗费而在工程应用上不切实际。特别是对于壁 面湍流流动 , 完全捕捉到附面层内拟序结构的演化需 要非常精细的网格 (网格规模为 R e